基于電力系統無功補償的移動式STATCOM系統研究

荊 輝

（國網技術學院，山東濟南250002）

0 引言

移動式STATCOM作為一種革新的、先進的動態無功補償技術，實現了對電網無功動態補償。其配套設備設計成模塊化結構型式，運輸靈活，可根據電網不同區塊無功情況進行合理分配，有利于后期的合理再利用。以下主要對STATCOM的基本原理、電路接線結構、參數設計以及控制技術進行研究。

1 STATCOM基本原理

對于電網而言，移動式STATCOM等效電路結構如圖1所示。

圖1 移動式STATCOM等效電路

由上可知，STATCOM主要部件有：電壓源換流器和直流電容器，此外還需要一個耦合變壓器（或電抗器），實現與電網對接。

研究發現，穩態工況下，STATCOM對電網無功補償的能力取決于電網端電壓與其本身的輸出電壓的相角，準確調整該相角，能夠有效提高無功補償功效。

2 移動式STATCOM主電路結構

移動式STATCOM主要有變壓器多重化結構和鏈式結構。雖然兩種型式外特性相同，不過工作原理還是有本質區別。

多重化結構以大功率的兩電平或三電平VSC為核心，是大多數輸電網STATCOM工程所采用的主電路結構。以日本Kanzaki變電站±80 Mvar STATCOM工程為例，如圖2所示，低壓側每臺VSC輸出的方波電壓相差一定角度，經過多重化變壓器的電磁耦合作用，在高壓側產生接近正弦的階梯波電壓。變壓器多重化結構有效增大了STATCOM的裝機容量，但這種結構型式也存在著占地大、成本高、無冗余運行能力、磁非線性引起的過壓和過流等問題，從而限制了其應用。

圖2 基于三電平VSC和多重化變壓器的STATCOM主電路結構

圖3為移動式STATCOM的鏈式結構。該種結構型式以鏈式VSC為核心，相與相之間相互獨立，每一相都由若干聯結組別相同的單相橋式電壓源逆變器串接構成，N個基本單元串聯可得到2N+1級的階梯電壓波形。第一臺基于鏈式拓撲結構的±75 Mvar STATCOM設備由ALSTOM研發成功應用，并且實現了可移動化。工程案例的成功論證了該種拓撲結構STATCOM的合理性和有效性，也展現了鏈式STATCOM的特殊優勢。

圖3 基于鏈式VSC的移動式STATCOM主電路結構

3 移動式STATCOM主設備參數設計

3.1 連接電抗器

連接電抗主要作用有三方面：首先是進行能量傳遞，其次是有效抑制高次諧波，再次是可以限制穩態負序電流。電抗參數可以在0.1～0.2 p.u.區間內初選，若X=0.1 p.u.，轉換成有名值為3.674 9 Ω。

3.2 直流側電容

在兩個冗余鏈節退出的情況下，電網電壓1.3 p.u.時單個鏈節交流側視在功率達到最大1.15 MVA，若此時取直流電壓波動系數為5%，則Cd≥14.3 mF，初步選定Cd=16 mF。

4 移動式STATCOM控制技術

4.1 低電壓控制方案

移動式STATCOM應包含一種控制邏輯，低電壓情況比較惡劣時采用，比如短路故障，閉鎖無功電流指令。如果移動式STATCOM在低電壓水平持續工作，母線電壓調節器會導致產生大幅值容性無功電流，故障排除后易導致過電壓。

4.2 移動式STATCOM不對稱故障控制方案

移動式STATCOM能否在電網故障期間承受故障沖擊而不退出，并在故障切除后快速提供動態電壓支撐，是衡量移動式STATCOM性能的重要指標。

不對稱短路時，移動式STATCOM的受端電壓參數波動較大，若換流鏈出口側不能快速跟蹤這種變化，則有可能因過流而退出，故障切除后移動式STATCOM將不能發揮應有的作用。不對稱故障情況下，存在兩種可能的控制模式：一種做法是忽略負序，只輸出正序電壓；另一種是抵消負序。

針對上述兩種控制模式存在的問題，提出了正、負序分離最優控制模式。在電網電壓不平衡度小于20%時，換流鏈平均直流電壓基本能夠維持平衡，整個過程沒有出現嚴重過流。在電網電壓不平衡度大于30%時，該方法的控制效果不理想，裝置在達到穩態之前的很長一段時間都處于過流狀態，主要是由于負序電壓剛出現時，正、負序兩種分量互相耦合，造成換流鏈平均直流電壓劇烈變化，需要較長時間消除。因此，正、負序電壓分離最優控制模式不適用于鏈式結構的STATCOM。

5 結語

當前對電網質量水平要求越來越高，動態無功補償能實時追蹤電網無功現狀并進行合理補給，有利于電力系統持續穩定運營和發展，而且對受端用戶設備也起到了保護作用，延長了使用壽命，節約了資源。移動式STATCOM裝置在變電站的靈活使用、高效響應，能夠提高電網的暫態穩定性，保障電網的良好運營，抑制電壓閃變，補償不平衡電流，濾除高次諧波分量及提升電網功率因數。本文通過研究STATCOM的基本原理、電路結構、參數設計以及控制技術，為后續裝置設計及應用提供了技術支撐。